Ротор высокоскоростной электрической машины Советский патент 1984 года по МПК H02K9/04 H02K19/00 

2 Ротор по п. 1, отли-чающиЛся тем, что,полюсные наконечники колец установлены С воздушным зазором относительно явновыраженных полюсов. 3,Ротор по п. 1, .отличающийся тем, что магнитопровод охвачен немагнитным кольцом установленным относительно него с зазором, образующим кольцевой вентиляционный канал. 4,Ротор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью охлаждения, на наружной поверхност магнитопровода аксиально расположе ны вентиляционные ребра, 5,Ротор по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что вен6тиляционные ребра выполнены в виде скошенных полюсов, являющихся продолжением явновыраженных полюсов каждой полюсной системы и переходящих в межполюсные впадины соседней полюсной cHCTeNbi. 6.Ротор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что явновыраженные полюса полюсных систем выполнены укороченнымисо стороны выходных концов вала по сравнению с полюсными наконечниками, 7.Ротор по пп. 1 и 6, отличающийся тем, что вентиляционные лопатки расположены с наклоном относительно плоскости осевого аксиального сечения.

1. РОТОР ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ гомополярного г у в « J 7 f .ХАЛ S типа, содержащий вгш, по меньшей мере две соосно расположенные на нем полюсные систекн в виде явновыраженных магнитомягких полюсов и межполюсных впадин, соединенные между собой магнитопроводом, о т л ичающий ся тем, что, с целью улучшения условий охлаждения и снижения потерь, он снабжен вентиляционными лопатками, укрепленными на межполюсных впадинах, и кольцами, выполненными из чередующихся между собой магнитомягких полюсных наконечников и .немагнитных вставок, причем кольца установлены на полюсных системах и жестко соединены с вентиляционными, лопаткси ш. @ (Л с о Од vl ел ф V Cpuf.t

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к синхронным двигателям и генераторам, а также вентильным двигателям и может быть использовано в приводах центробежных компрессоров, насосов, прокатных станов и других высокосбо ротных механизмов.

Известен ротор высокоскоростной электрической машины, содержащий вал, насаженный на него шихтованный махнитопровод, в пазы которого уложена обмотка, и бандажные кольца, служащие для удержания роторной обмотки, испытывакнцей действие центробежных сил при его вращении Г11.

Недостатком этих роторов является невысокая прочность вызванная наличием на ней обмотки, и как следствие, низкая окружная скорость ротора.

Наиболее, близким к изобретению по технической сущности является ротор высокоскоростной электрической машины гомополярного типа, содержащий вал, по меньшей мере две .соосно расположенные на нем полюсные системы в виде явновыраженных магнитомягких полюсов и межполюсных впадин, соединенные между собой магнитопроводом 2,

Недостатками этого ротора являются плохие условия охлаждения ротора и высокие потери. Большие потери в роторе и плохие условия охлаждения вызывают его сильный перегрев зачастую недопустилвлй.

Нагрев ротора вызван значительными аэродинамическими потерями и потерями на перемагничивание, в которых преобладающими являются потери в поверхностном слое ротора.

обусловленные высокочастотными зубцовыми гармониками.

Несмотря на наличие межполюсных промежутков, нагрев ротора увели5 чивается, так как аэродинамические потери, вызванные явнополюсностью ротора превосходят потери, отводимые проходяидам через него аксиешьным воздушным потоком. Эффективность осе- Q вого продува воздуха через ротор такой конструкции весьма мала, так как воздух отбрасывается полюсами {выполняющими роль лопастей вентилятора только в радиальных направлениях. Отсутствие каналов для

выхода отбрасываемого полюсами воздуха вызывает его постоянное перемешивание, т.е. имеют место большие аэродинамические потери и практически отсутствие аксиального про0 дува. Кроме того, наличие межполюсных воздушных промежутков осложняет выполнение демпфирующих контуров по поверхности ротора, так как желательно их наличие также и в межпо5 люсных промежутках.

Цель изобретения - улучшение условий охлаждения и снижение потерь в роторе.

Указанная цель достигается тем,

0 что ротор снабжен вентиляционными |попатками, укрепленными на межполюсных впадинах, и кольцами, выполненными из черсд ;ующихся между собой магнитомягких полюсных наконечJ НИКОВ и немагнитных вставок, причем кольца установлены на полюсные системы и жестко соединены с вентиляционными лопатками.

При этом полюсные наконечники 0 колец установлены с воздушным зазором относительно явновыраженных полюсов, магнитопровод охвачен немагнитным кольцом, установленным относительно него с зазором, образующим кольцевой вентиляционный канал.

На наружной поверхности магнитопровода могут быть аксиально расположены вентиляционные ребра, выполненные 3 виде скошенных полюсов, являющихся продолжением явновыраженных полюсов каждой полюсной ситемы и переходящих в межполюсные впадины соседней полюсной системы,

Явновыраженные полюса могут быть выполнены укороченными со стороны выходных концов вала по сравнению с полюсными наконечниками.

Вентиляционные лопатки расположены с наклоном относительно плоскости осевого аксиального сечения.

На фиг. 1 приведена конструкция ротора с аксиальным продувом воз духа через две полюсные системы в одном направлении; на фиг. 2 ротор в области вентиляционных лопаток, поперечное сечение; на фиг. 3 т конструкция ротора с аксиально-радиальным продувом воздуха ; на фиг. 4 - то же, вид сбоку,на фиг. 5 и 6 радиальные сечения ротора на фиг. 3 в области магнитопровода с вентиляционными ребрами, соединякягдего полюсные системы; на фиг 7 - сечение В-В на фиг. 4 , на фиг. 8 - вид на торец ротора с наклоненными вентиляционными лопатками (сходные элементы на фиг. 1-8 обозначены одинаково К

Ротор (фиг. 1 и 2) содержит вал 1, две полюсные системы .2 и 3, магнитопровод 4 и кольца 5 - 7. Каждая полюсная система, например, полюсная система 2, включает в себя явновыраженные полюса 8-10 и межполюсные впадины 11 - 13. Магнитопровод 4, соединяющий между собой полюсные системы, выполнен цилиндрическим. В отличие от известных конструкций предлагаемый ротор содержит вентиляционные лЬпатки 14 - 16, укрепленные на межполюсных впадинах 11 - 13 соответственно. На полюсные системы 2 и 3 насажены кольца 5 и состоящие из магнитомягких полюсных наконечников 17 и немагнитных вставок 18. Кольца 5 и 7 могут быть выполнены либо в виде цельных колец из стали Xl8H9T/(ЭЯTl отдельным участкам которого, а именно вставкам 18 приданы не магнитные свойства, либо из различных по магнитным свойствам материалов, сваренных между собой. Толщина колец 5 и выбирается исходя из соображений обеспечения технологичности сварки 19 (фиг. 2), отсутствия резонансных колебаний в процессе работы машины, а также из того, чтобы высокочастотная составляющая перемагничивания

ротора, вызванная наличием зубцов, не распространялась вглубь за пределы полюсных наконечников 17 и немагнитных вставок 18. Ориентировочно для роторов диаметром 200600 мм толщина кольца выбирается в пределах -10-30 мм. Немагнитное кольцо 6 служит для уменьшения аэродинамического сопротивления ротора. Оно, в сочетании с магнитопроводом 4 образует кольцевой воздушный промежуток 20. Вентиляционные лопатки 14 - 16 расположены относительно продольной оси ротора под углом, обеспечивающим прохождение через ротор однонаправленного воздушного потока. Йаличие скоса вентиляционных лопаток 14-16 относительно продольной оси ротора под углом, обеспечивающим прохождение через ротор однонаправленного воздушного потока. Наличие скоса вентиляционных лопаток 14 - 16 относительно продольной оси ротора показано на фиг. 2, где видны сечения лопаток и их боковые стороны соответственно При вращении ротора в направлении, обозначенном стрелкой 21, создается воздушный поток, направленный по стрелкам 22.

Представленный на фиг. 3 и 4 вариант конструкции отличается от указанного тем, что в нем обеспечивается аксиально-радиальная вентиляция ротора. Полюсные систёгы 23 я 24 ротора содержат явновыраженные полюса 25 - 30 соответственно, сдвинутые относительно друг друга на 180 эл. град. На межполюсных впадинах, например, межполюсных впадинах 31 - 33 полюсной системы

23закреплены вентиляционные лопатки 34. На фиг. 5 и 6 показаны два сечения магнитопровода 35, с расположенными на нем вентиляционньами ре рами 36, соединяющего полюсные системы 23 и 24, на которых пунктиром обозначены явновыраженные полюса 25 и 30 полюсных систем 23 и

24соответственно. Вентиляционные ребра 36 магнитопровода 35 выполнены в виде скошенных полюсов 37 - 39, являющихся продолжением полюсов 25 - 27 соответственно, и скошенные полюса 40-42, продолжающие полюса 28-30. Каждый скошенный полюс, например, скошенный полюс 40, переходит в межполюсную впадину соседней полюсной системы, а именно в межполюсную впадину 33.

Особенность выполнени магнитопровода 35 с вентиляционными ребрами 36 в виде скошенных полюсов заключается в том, что площадь любого из его поперечных сучений равна площади сечения полюсной системы. Благодаря 31тому уменьшается диаметр ротора, выбираемый исходя из условия обеспечения заданной индукции в магнитопроводе 35, что позволяет увеличить его частоту вращения. Помимо функции проведения магнитного потока, вентиляционные- ребра 36 выполняют функции вентиляционны лопаток центробежного вентилятора, обеспечивая выброс воздуха из об,ласти 43 в радиальных направлениях Для уменьшения аэродинамическог сопротивления за счет сокращения длишл вентиляционных каналов полюсные системы 23 и 24 выполнены укороченными со стороны выходных концов 44 и 45 вала ротора. При этом желательно, чтобы длина явновы раженных полюсов, например, полюсов 25-27, не изменялась в сторо ну уменьшения по сравнению с областью ограниченной пунктирной линией 46 (фиг, 3). На фиг. 7 приведено сечение вентиляционной лопатки 34, приваренной к межполюсной впадине 33. Для того, чтобы обеспечить увеличение радиальных размеров колец 5 и 7, вызванное центробежными силами, вентиляционные лопатки, например, лопатки 47-49, устанавливают под некоторым углом (фиг. 8/ к плоскости осевого сзчения. Тогда разница в изменении размеров ко лец 5 и 7 и полюсных систем компен сируется изменением величины угла за счет изгиба лопаток 47-49, лежасцего в области упругих деформаци Работа ротора осуществляется следуюашм образом. При вращении ротора, например в направлении, обозначенном стрелкой 21 (фиг. 1 и 2), воздух, находяадийся в межполюсных каналах, отбрасывается вентиляционными лопаткамм 14-16 в направлении, обозначенном стрелками 22, обеспечивая аксиальную вентиляцию ротора. Част воздушного потока проходит в зазоре глежду явновыраженными полюсами 8-10 и полюсными наконечниками 17, обеспечивая съем тепла с последних. В роторе (фиг. 3 и 4J создают ся два встречно направленных поток Направление одного из них обозначе стрелками 50, другого - стрелками 51. Попадая на вентиляционные ребра 36 магнитопровсда 35, выполненные в виде скошенных полюсов 37-39, воздушный поток отбрасывается в радиальных направлениях. Ротор такой конструкции используется в машине с аксиально-радиальным продувом, выход воздуха в которой осуществляется через межпакетное пространство статора и среднкж) часть корпуса. Поскольку наиболее нагретой частью ротора явлйется переферийная зона активной части, в которой выделяются потери на перемагничивание, в том числе их основная составляющая, вызванная зубцовыми гармониками и аэродинамические потери, предлагаемая конструкция в сравнении с известными обеспечивает высокую эффективность отвода потерь и их снижение. Снижение потерь объясняется наличием колец 5 и 7, уменьшающих аэродинамические потери, а также наличием демпфирующих контуров в межполюсных промежутках благодаря наличию тех же колец. Высокая эффективность охлаждения связана с обеспечением продува воздуха с помощью вентиляционных лопаток через аксиальные каналы ротора, образованные наиболее нагретыми его частями - кольцами 5 и 7 и явновыражен1гл4и полюсами, например, полюсами 8-10. Технико-эконолшческий эффект, обусловленный снижением потерь и улучшением условий охлаждения, заключается в повышении надежности машины, увеличении ее срока служба и повышении мощности в габарите. Повыиенне надежности и долговечности машины объясняется уменьшением нагрева не только ротора, но также и подципниковых узлов, статор-ной обмотки и обмотки возбуждения. Хороший отвод тепла от наиболее нагретых участков ротора позволяет также повысить электромагнитные нагрузки в элементах ротора, в частности индукцию в полюсных наконечниках 17, явновыраженных полюсах и магнитопроводе 4 или 35 и за счет этого, повысить мощность машины при тех же ее габаритах. 2f в

В-В

срие.7 35 30 Г7 7

/7

4